实验--光纤光栅传感实验.doc

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1、光纤光栅传感器实验一、实验目的1.了解和掌握光纤光栅的基本特性；2.了解和掌握光纤光栅传感器的基本结构、基本原理；3.光纤光栅传感测量的基本方法和原理。二、实验原理光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的应用。特别是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、可防光强变化对测量

2、结果的影响、体积小、重量轻、灵活方便，特别能在恶劣环境下使用。光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。1.光纤光栅及其基本特性附图1－1光纤光栅示意图布喇格光纤光栅纤芯入射光反射光光纤包层光纤光栅的基本结构如图1－1所示。它是利用光纤材料的光折变效应，用紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变化的光栅结构，这种光栅称之为布喇格（Bragg）光纤光栅。这种折射率周期变化的B

3、ragg光纤光栅满足下面相位匹配条件时，入射光将被反射：(1)式中为Bragg波长（即光栅的反射波长），L为光栅周期，为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L,由耦合波方程可以计算出反射率R为：图1－2显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。附图1－2曲线=2和=5的反射谱附图1－3布喇格光纤光栅透射谱和反射谱其峰值反射率为:(2)反射的半值全宽度（FWHM）,即反射谱的线宽值(3)（1）式中，是温度T和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量可以写成：(4

4、)其中a、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe是有效光弹系数，大约为0.22。应变ε可以是很多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振动、速度、加速度、流量等等）的函数，应用光纤光栅可以制造出不同用途的传感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以（4）式是光栅传感的基本方程。SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本结构、光纤光栅传感的基本原理、光纤光栅传感测量的基本方法和原理，同时使学生了解光纤光栅

5、和光纤传感的局限性。1.光纤光栅传感实验仪基本结构图2－1光纤光栅传感测试单元结构15695412103281178，光纤光栅传感实验仪，它包括光纤光栅传感测试单元和光纤光栅传感单元，其基本结构如附图2－1、附图2－2。1－ASE宽带光源2－1550nm信号光源输入接口3－宽带光源输出接口4－宽带光源输入接口5－光纤耦合器6－波长悬臂梁调谐器7－螺旋测微器8－光强信号数字电压表8－光强信号接收放大电子线路9－波长传感器信号接收放大电子线路21171815141913162022附图2-2光纤光栅传感单元基本结构基本基本基本

6、结构10－A/D转换及数据处理电子线路11－RS232数据输出接口12－传感信号输入接口13-光纤光栅温度传感器14、15－温度传感信号输出接口1、216－加热装置17－加热调节器18-温度检测装置19－温度数字显示器20－光纤光栅应变传感器21－应变传感信号输出端22－螺旋测微器光纤光栅传感测试单元，它主要包括宽带光源1［掺铒（Er+）光纤ASE宽带光源］，手动光纤光栅波长悬臂梁调谐器6、7，光强信号接收放大电子线路8，A/D转换及数据处理电子线路10，光纤光栅波长传感器信号接收放大电子线路9，宽带光源输出3用光纤FC接

7、头跳线连接到机箱面板上，传感测试用宽带光源输入端4也连接到机箱面板上。此测试单元还有RS232数据计算机接口，有图形显示和数据处理软件，手动波长扫描，手工或计算机自动两种数据记录、描绘图形、数据处理方法。由光纤FC接头跳线将光纤光栅传感测试单元接口12与光纤光栅传感单元接口15或21连接，可进行光纤光栅温度传感和光纤光栅应变传感或波分复用传感实验；宽带光源1有宽带输出接口3，可独立以宽带光源使用。光纤光栅传感单元主要由光纤光栅温度传感器13和光纤光栅应变传感器20组成，光纤光栅温度传感器还有附属的加热及加热调节16、17和

8、温度检测装置、温度数字显示器18、19，显示其实际温度；光纤光栅应变传感器20中光纤光栅粘接到悬臂梁上，光纤光栅应变由悬臂梁弯曲形变产生，连接到悬臂梁上的螺旋测微器22的进动量给出悬臂梁形变的挠度，进而计算出光纤光栅应变。1.光纤光栅传感的基本原理和光纤光栅传感测量的基本原理光纤光栅受温度T和应变ε同时